Nyong'o nació en la Ciudad de México, hija de refugiados políticos de origen keniano.[2][3][4] Siguiendo la tradición de su país de origen de nombrar a sus hijos con base en algún acontecimiento relevante, sus padres le otorgaron un nombre mexicano.[5][6]
Los padres de Nyong'o, Dorothy y Peter, se dedican a la política. Peter fue Ministro de Servicios Médicos en Kenia. Su prima, Isis Nyong'o, fue nombrada como una de las mujeres más poderosas de Kenia por la revista Forbes, en 2012.[7][8]
Nyong'o regresó a Kenia cuando tenía un año de edad. A los dieciséis años, Nyong'o regresó a México para aprender español, vivió en Taxco, Guerrero por siete meses. Cursó sus estudios en la Universidad de Nairobi.[6] Nyong'o terminó sus estudios en Estados Unidos, en la Hampshire College, graduándose en estudios teatrales.[9]
Comenzó trabajando en algunas producciones como The Constant Gardener, de Fernando Meirelles, al lado de Ralph Fiennes y en The Namesake. En 2008 colaboró en el cortometraje East River de Marc Grey.[10] En 2008 regresó a Kenia y participó en la televisión nigeriana con la serie Shuga. Eventualmente se incorporó a la Yale School of Drama, y participó en montajes teatrales como Doctor Faustus, Uncle Vanya o The Winter's Tale, entre otros.[11]
El 23 de abril de 2014 fue seleccionada por la revista People como la mujer más linda del mundo y quedó por encima de otras 50 elegidas.
El 16 de febrero de 2018 hizo su primera aparición en el universo cinematográfico de Marvel en la película Pantera Negra, interpretando al personaje de Nakia.